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Physik – Verknüpfung von elektrischen und magnetischen Feldern

Leitungswiderstände

Kapazitiver Leitungsbelag

Eine einfache elektrische Leitung, die mit Wechselstrom betrieben wird, weist Blindwiderstände auf. Leitungen bilden zwischen den Adern und zwischen den Adern und der Leitungsumgebung Anordnungen, die ähnlich einem Kondensator sind. Die auftretenden elektrischen Felder speichern Energie und stellen somit (kapazitive) Widerstände dar. Im Falle von Freileitungen sind die Abstände zwischen den Strängen und zur leitenden Umgebung sehr gross, weshalb der kapazitive Blindwiderstand (man spricht bei Leitungen von „kapazitivem Belag“) eher gering ist und erst bei sehr langen Leitungen wirtschaftlich zu Buche schlägt. Dann können Gleichstromleitungen (die keine kapazitiven Beläge besitzen) kostengünstiger werden. Eine andere Situation, in der der kapazitive Blindwiderstand einer Leitung bedeutsam wird, ist das Kabel. Weil die Leiterstränge in einem Kabel sehr nahe beieinander liegen, und auch die Umgebung (Erdreich, Wasser) einen stärkeren Einfluss hat als bei Freileitungen, treten bei Kabeln massgebliche elektrische Feldstärken bzw. kapazitive Beläge auf, welche im Höchstspannungsbereich Gleichspannungskabel (HGÜ-Kabel) schon bei vergleichsweise kurzen Distanzen wirtschaftlich machen.

Induktiver Leitungsbelag

Analoge Überlegungen gelten für die induktiven Eigenschaften von Wechselstromleitungen, die als induktive Blindwiderstände (induktive Beläge) messbar sind. Dabei gilt, dass der induktive Blindwiderstand mit der Reduktion des Abstandes zwischen den Adern kleiner wird.

Skin-Effekt

Skin-Effekt eines Kupferkabels. Quelle: FSM

Zuletzt gilt es noch den sog. Skineffekt zu erwähnen. Der Skineffekt beziffert den Verlust durch Stromverdrängung aufgrund von Wirbelströmen innerhalb des Leiters. Ein Wechselstrom erzeugt im Leiter magnetische Wechselfelder (in der Figur rechts in rot), die ihrerseits elektrische Wirbelströme (blau) induzieren. Diese sind dem „eigentlichen“ Strom in ihrer Summe entgegengerichtet (rot schraffiert) und schwächen den Hauptstrom zur Leitermitte hin zusehends ab. Das verringert den wirksamen Leiterquerschnitt. Dieser Effekt nimmt mit der Frequenz des Wechselstroms deutlich zu. Bei 50 Hz-Leitungen ist er noch unbedeutend. Im kHz-Bereich ist er bereits bedeutend und wird im Induktionsherd technische ausgenutzt. Bei typischen Hochfrequenzanwendungen ist er nicht mehr zu vernachlässigen.

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